SOURCE LASER A SEMI-CONDUCTEUR

Abstract

 Source laser à semi-conducteur comprenant un interféromètre de Mach-Zehnder (42), cet interféromètre comportant un premier et un second bras (44, 46). Chacun des bras est divisés en plusieurs sections consécutives (S_m,n), l'indice effectif de chaque section situé immédiatement après une section précédente étant différent de l'indice effectif de cette section précédente. Les longueurs des différentes sections vérifient la condition suivante :

où :
- k_f est un nombre entier prédéterminé supérieur ou égal à 1,
- N₁ et N₂ sont les nombres de sections, respectivement, dans les premier et second bras,
- L_1,n et L_2,n sont les longueurs des n-ièmes sections, respectivement, des premier et second bras,
- neff_1,n et neff_2,n sont les indices effectifs des n-ièmes sections, respectivement, des premier et second bras.
Les premier et second bras comportent chacun une section à gain (S_1,2, S_2,2).

Description

[0001] L'invention concerne une source laser à semi-conducteur configurée pour émettre à une longueur d'onde λ_Li proche d'une longueur d'onde λ_Si souhaitée.

[0002] Des sources lasers connues à semi-conducteur comportent :

• un ensemble de guides d'onde optiquement couplés les uns aux autres et formant une cavité optique apte à faire résonner un signal optique à plusieurs fréquences de résonance possibles, les longueurs d'onde possibles λ_Rj de ces fréquences de résonance possibles étant régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλ_R, cet ensemble comportant :
  • au moins un guide d'onde dans lequel est réalisé un filtre passe-bande, le spectre de transmission de ce filtre passe-bande comportant une bande passante apte à sélectionner, parmi les différentes longueurs d'onde λ_Rj possibles, la longueur d'onde λ_Li la plus proche de la longueur d'onde λ_Si, et
  • au moins un guide d'onde à gain apte à générer du gain optique à chaque longueur d'onde λ_Li sélectionnée par le filtre passe-bande, ce guide d'onde à gain comportant un matériau à gain III-V.

[0003] Par exemple, une telle source laser connue est divulguée dans la demande US2018261976A.

[0004] De l'état de la technique est également connu de US20140254617A1, US20030123784A1, CN103368678B, US2016301191A1, US2012057079A1 et WO2007107187A1.

[0005] La demande US20140254617A1 divulgue une filtre passe-bande contenant un interféromètre de Mach-Zehnder. Toutefois, les bras de l'interféromètre de Mach-Zehnder sont dépourvus de sections à gain.

[0006] La demande US20030123784A1 divulgue un démultiplexeur multi-modes utilisant un interféromètre.

[0007] La demande CN103368678B décrit un interrupteur optique utilisant un interféromètre de Mach-Zender. Cet interrupteur optique est dépourvu de cavité résonante.

[0008] Il est connu que la longueur d'onde λ_Li d'une source laser à semi-conducteur varie en fonction de la température. Il est souhaitable de limiter autant que possible cette variation. De nombreuses solutions ont déjà été proposées pour limiter cette variation. Par exemple, dans la demande US2018261976A, le filtre passe-bande de la source laser est réalisé en nitrure de silicium pour limiter autant que possible cette variation. Toutefois, la fabrication du filtre passe-bande dans du nitrure de silicium complexifie la fabrication de la source laser.

[0009] Il est également souhaitable de limiter autant que possible l'encombrement de tel source laser à semi-conducteur.

[0010] L'invention vise à proposer une architecture pour la source laser qui minimise la longueur de la cavité résonnante sans pour autant réduire la puissance du signal optique émis. En tant qu'objectif secondaire, l'invention vise également à proposer une source laser dont les variations de la longueur d'onde λ_Li d'émission en fonction de la température sont limitées sans que pour cela il soit nécessaire de réaliser le filtre passe-bande dans un autre matériau que du silicium.

[0011] Elle a donc pour objet une source laser à semi-conducteur conforme à la revendication 1.

[0012] Les modes de réalisation de cette source laser peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications dépendantes.

[0013] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non-limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :

• la figure 1 est une illustration schématique, en vue de dessus, de l'architecture d'une source laser à semi-conducteur ;
• la figure 2 est une illustration schématique en coupe verticale de la source laser de la figure 1 ;
• la figure 3 est un graphe illustrant le spectre de transmission d'un filtre passe-bande de la source laser de la figure 1 ;
• les figures 4, 5, 8, 10, 11, 13 et 15 sont des illustrations schématiques, en vue de dessus, de différents autres architectures possibles de la source laser de la figure 1 ;
• les figures 6 et 7 sont des graphes illustrant des spectres de transmission de filtres de la source laser de la figure 5 ;
• la figure 9 est un graphe illustrant le spectre de transmission de filtres de la source laser de la figure 8 ;
• la figure 12 est un organigramme d'un procédé d'émission d'un signal optique à une longueur d'onde λ_Li à l'aide de la source laser de la figure 11 ;
• la figure 14 est un graphe illustrant le spectre de transmission de filtres de la source laser de la figure 13.

[0014] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.

Chapitre I : Définitions et notations

[0015] La longueur d'onde λ_Li est la longueur d'onde à laquelle émet la source laser. Lorsque la source laser est une source laser monomode ou monochromatique, il n'existe qu'une seule longueur d'onde λ_Li. Lorsque la source laser est une source laser multimode ou polychromatique, il existe simultanément plusieurs longueurs d'onde λ_Li différentes. Dans ce dernier cas, l'indice i est un identifiant de la longueur d'onde λ_Li parmi les différentes longueurs d'onde auxquelles la source laser émet. Typiquement, la longueur d'onde λ_Li est comprise entre 1250 nm et 1590 nm.

[0016] Les longueurs d'onde λ_Rj sont les différentes longueurs d'onde auxquelles une cavité résonante est susceptible de résonner en absence de filtre passe-bande. Le filtre passe-bande est le filtre qui sélectionne un nombre réduit de longueurs d'onde λ_Rj. Ces longueurs d'ondes λ_Rj sont régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλ_R. L'indice j est un identifiant d'une longueur d'onde λ_Rj particulière.

[0017] L'intervalle ΔR est la plus petite plage de longueurs d'onde contenant toutes les longueurs d'onde Δ_Rj possibles. Typiquement, lorsque la cavité résonnante est délimitée par des réflecteurs de signaux optiques, l'intervalle ΔR est égal à la bande réfléchissante de ces réflecteurs. L'intervalle ΔR peut aussi être limité par la largeur de la bande d'amplification ou « bande de gain » de l'amplificateur optique utilisé pour amplifier les signaux optiques qui résonnent à l'intérieur de la cavité. La bande de gain est une bande de fréquences qui contient toutes les fréquences des signaux optiques susceptibles d'être amplifiés par l'amplificateur optique. Les signaux optiques dont les fréquences sont en-dehors de cette bande de gain ne sont pas amplifiés par l'amplificateur optique.

[0018] La bande réfléchissante d'un réflecteur est la bande réfléchissante à -3 dB. Il s'agit de la plage de longueurs d'onde contenant toutes les longueurs d'onde λ_Rj aptes à être réfléchies par le réflecteur avec une puissance supérieure ou égale à 50 % de la puissance maximale I_max réfléchie par ce réflecteur. La puissance I_max est égale à la puissance du signal optique réfléchi pour la longueur d'onde λ_Rj pour laquelle cette puissance est maximale.

[0019] La longueur d'onde λ_CR est une longueur d'onde correspondant à un maximum du spectre de réflexion du réflecteur. Typiquement, la longueur d'onde λ_CR est la longueur d'onde située au milieu de la bande réfléchissante du réflecteur. Cette longueur d'onde λ_CR se déplace en même temps que la bande réfléchissante se déplace.

[0020] Ici, les largeurs des bandes passantes sont les largeurs des bandes passantes à - 3dB. Par la suite, la largeur de la bande passante d'un filtre est notée Δλ_FX, où l'indice FX est un identifiant du filtre.

[0021] On note λ_CFX la longueur d'onde correspond à un maximum dans le spectre de transmission d'un filtre, où l'indice FX est un identifiant du filtre. Typiquement, la longueur d'onde λ_CFX est la longueur d'onde située au milieu d'une bande passante du filtre.

[0022] On note D_FSRX la distance entre les maximums de deux bandes passantes successives du spectre de transmission d'un filtre passe bande, où l'indice FX est un identifiant du filtre. Cette distance est connue sous l'acronyme FSR (« Free Spectral Range »).

[0023] Par filtre « athermique », on désigne le fait que le coefficient dλ_CFX/dT associé à ce filtre est compris entre L_min et L_max, où :

• λ_CFX est la longueur d'onde correspond à un maximum dans le spectre de transmission du filtre,
• le coefficient dλ_CFX/dT est la variation de la longueur d'onde λ_CFX en fonction de la température,
• L_min est égale à -50 pm/°C et, de préférence, égale à -15 pm/°C ou -7 pm/°C, et
• L_max est égale à +50 pm/°C et, de préférence, égale à +15 pm/°C ou +7 pm/°C.

[0024] Pour un filtre donné, le coefficient dλ_CFX/dT peut être déterminé expérimentalement ou par simulation numérique. Par exemple, la variation de la longueur d'onde λ_CFX en fonction de la température est mesurée ou simulée sur une plage de température allant de 20°C à 100°C. Typiquement, la longueur d'onde λ_CFX varie approximativement linéairement en fonction de la température sur cette plage de températures. Il est donc possible d'approximer la relation qui relie la longueur d'onde λ_CFX à la température T sur cette plage à l'aide de la relation linéaire suivante : λ_CFX = aT +b, où les coefficients a et b sont des constantes. Les valeurs des coefficients a et b sont établies en déterminant la droite qui minimise les écarts, par exemple au sens des moindres carrés, entre cette droite et chaque point mesuré ou simulé. Chaque point mesuré ou simulé a pour abscisse une température et pour ordonnée la longueur d'onde λ_CFX mesurée ou obtenue par simulation pour cette température. La valeur du coefficient dλ_CFX/dT est alors prise égale à la valeur du coefficient a.

[0025] Le coefficient thermo-optique d'un matériau est le coefficient dn_r/dT, où :

• n_r est l'indice de réfraction de ce matériau à la longueur d'onde λ_Si, et
• dn_r/dT est la variation de l'indice de réfraction n_r en fonction de la température sur une plage de température allant de 20°C à 100°C.

De façon similaire à ce qui a été indiqué pour le coefficient dλ_CFX/dT, le coefficient dn_r/dT est approximé par une constante sur la plage de températures allant de 20°C à 100°C.

Chapitre II : Exemples de modes de réalisation

[0026] La figure 1 représente schématiquement l'architecture générale d'une source laser 10 à semi-conducteur qui émet à au moins une longueur d'onde λ_Li aussi proche que possible d'une longueur d'onde λ_Si souhaitée. La longueur d'onde λ_Si est constante et soit réglée une fois pour toute lors de la conception de la source laser soit réglable par un utilisateur. Dans tous les cas, une fois réglée, la longueur d'onde λ_Si reste constante tant que les réglages de la source laser ne sont pas modifiés.

[0027] Par la suite, seules les particularités de la source laser 10 sont décrites en détail. Pour des informations générales sur la réalisation et le fonctionnement d'une source laser à semi-conducteur utilisant des guides d'onde en silicium et en matériau à gain III-V, le lecteur peut consulter l'article suivant : B. Ben Bakir et al., « Hybrid Si/III-V lasers with adiabatic coupling », 2011.

[0028] La source laser 10 comporte un réflecteur arrière 12 et un réflecteur avant 14 qui définissent les extrémités d'une cavité résonante de Fabry-Pérot. A l'intérieur de cette cavité un signal optique peut résonner, en absence de filtre passe-bande, à plusieurs longueur d'onde possibles λ_Rj. Les longueurs d'onde λ_Rj sont régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλ_R. Dans ce mode de réalisation, l'intervalle ΔR qui contient toutes les longueur d'onde λ_Rj est égale à la bande réfléchissante des réflecteurs 12 et 14.

[0029] Par exemple, le réflecteur 12 présente un facteur de réflexion strictement supérieur à celui du réflecteur 14. Le facteur de réflexion est égal au rapport entre la puissance du signal optique réfléchi par le réflecteur sur la puissance du signal optique incident sur ce réflecteur. Typiquement, le facteur de réflexion du réflecteur 12 est supérieur ou égal à 90 % ou 95 % pour la longueur d'onde λ_Li. Le facteur de réflexion du réflecteur 14 est généralement compris entre 30 % et 80 % et vaut typiquement 50 %.

[0030] Les réflecteurs 12 et 14 sont des réflecteurs large bande. Dans ce mode de réalisation, cela signifie que la largeur de la bande réfléchissante des réflecteurs 12 et 14 est supérieure à une limite inférieure prédéterminée. Cette limite inférieure est ici :

• égale à Δλ_f + DT.(dλ_CR/dT) si le filtre passe-bande est agencé pour sélectionner uniquement une seule longueur d'onde λ_Li, et
• égale à Δλ_f + max{DT.(dλ_CR/dT) ; N.d_SFRf + DT.(dλ_Cf/dT)} si le filtre passe-bande est agencé pour sélectionner N longueurs d'onde λ_Li,

où :

• Δλ_f est la largeur de la bande passante du filtre passe-bande de la source laser,
• DT est la largeur d'une gamme prédéterminée de températures de fonctionnement pour la source laser,
• dλ_CR/dT est la variation de la longueur d'onde centrale λ_CR des réflecteurs en fonction de la température exprimée en nm/°C,
• dλ_Cf/dT est la variation de la longueur d'onde centrale λ_Cf du filtre passe-bande en fonction de la température exprimée en nm/°C,
• N est un nombre entier supérieur ou égal à deux,
• d_SFRf est l'intervalle entre deux bandes passantes successives du filtre passe-bande exprimée en nanomètre,
• le symbole « . » désigne dans cette description l'opération de multiplication scalaire, et
• max{...} est la fonction qui retourne le plus grand des éléments situés entre les accolades et séparés les uns des autres par un point virgule.

Différents modes de réalisation du filtre passe-bande de la source laser sont décrits plus loin.

[0031] La gamme de températures de fonctionnement d'une source laser est souvent choisie supérieure à 10°C ou 30°C. Ici la gamme de températures de fonctionnement est choisie comme étant comprise entre +20°C et +100°C. La largeur DT est donc ici égale à 80 °C. Par la suite, la plus petite et la plus grande températures de la gamme de températures de fonctionnement sont notées, respectivement, T_min et T_max. Dans ce mode de réalisation, les réflecteurs 12 et 14 sont réalisés dans un guide d'onde dont le cœur est en silicium. Ainsi, la variation dλ_CR/dT est ici égale à 0,07 nm/°C. Typiquement, la largeur de la bande réfléchissante est supérieure à 6 nm ou 15 nm ou 30 nm.

[0032] Les réflecteurs 12 et 14 sont également conçus pour que, à la température T_min, la longueur d'onde λ_Li soit plus proche de la borne supérieure λ_Rmax de la bande réfléchissante des réflecteurs 12 et 14 que de sa borne inférieure λ_Rmin. Par exemple, à la température T_min, la longueur d'onde λ_Li est comprise entre 0,9 λ_Rmax et λ_Rmax. Cette contrainte peut être relâchée si la largeur de la bande réfléchissante est très supérieure à sa limite inférieure telle que définie précédemment.

[0033] Ici, les réflecteurs 12 et 14 sont par exemple des réseaux de Bragg.

[0034] Entre les réflecteurs 12 et 14, la source laser comporte successivement les composants photoniques suivants en allant du réflecteur 12 vers le réflecteur 14 :

• un guide d'onde optique 15 en silicium dans lequel est réalisé le réflecteur 12,
• un filtre passe-bande 22 apte à sélectionner la longueur d'onde λ_Li de fonctionnement de la source laser 10 parmi les différentes longueurs d'onde λ_Rj possibles à l'intérieur de la cavité de Fabry-Pérot,
• un coupleur 26 qui raccorde optiquement le guide d'onde 15 à une entrée d'un guide d'onde 28 en matériau à gain III-V,
• un amplificateur optique 30 à semi-conducteur plus connu sous l'acronyme SOA (« Semiconductor Optical Amplifier ») réalisé dans le guide d'onde 28 et apte à générer et à amplifier le signal optique résonant à l'intérieur de la cavité de Fabry-Pérot à chaque longueur d'onde λ_Rj,
• un coupleur 32 qui raccorde optiquement une sortie du guide d'onde 28 à un guide d'onde 25, et
• le guide d'onde optique 25 en silicium dans lequel est réalisé le réflecteur 14.

[0035] Ici, par guide d'onde en silicium, on désigne un guide d'onde dont le cœur est réalisé en silicium. Par exemple, la gaine des guides d'onde en silicium est réalisée dans un autre matériau comme, typiquement, de l'oxyde de silicium.

[0036] Les coupleurs 26 et 32 sont par exemple des coupleurs adiabatiques. Pour une description détaillée d'un coupleur adiabatique, le lecteur est renvoyé à l'article suivant: Amnon Yariv et al., « Supermode Si/III-V hybrid Lasers, optical amplifiers and modulators: proposai and analysis » Optics Express 9147, vol. 14, No. 15, 23/07/2007.

[0037] Un tel coupleur adiabatique est, par exemple, obtenu en modifiant la largeur du guide d'onde en silicium par rapport à la largeur du guide d'onde en matériau à gain III-V. Typiquement pour un couplage adiabatique d'un guide d'onde en silicium vers un guide d'onde en matériau III-V, la largeur du guide d'onde en silicium est progressivement réduite à l'approche du guide d'onde en matériau III-V. En sens inverse, pour transférer par couplage adiabatique un signal optique du guide d'onde en matériau III-V vers un guide d'onde en silicium, la largeur du guide d'onde en silicium est par exemple progressivement augmentée. De plus, typiquement vers le milieu du coupleur adiabatique, les dimensions des sections transversales des guides d'onde en silicium et en matériau III-V sont généralement telles que leurs indices effectifs respectifs sont égaux. Ceci est aussi vrai pour un couplage adiabatique entre des guides d'onde hybrides Si/ matériau III-V.

[0038] De préférence, l'amplificateur 30 est un amplificateur large bande, c'est-à-dire capable de générer et d'amplifier une plage importante de longueurs d'onde. Cette plage comprend la longueur d'onde λ_Si. Typiquement, elle est centrée sur cette longueur d'onde λ_Si à la température (T_max+T_min)/2. La largeur de cette plage de longueur d'onde à -3 dB est par exemple d'au moins 10 nm ou 25 nm ou 35nm et reste large avec l'augmentation de température. Par exemple, les matériaux III-V constituant l'amplificateur 30 sont ceux décrits dans l'article suivant : Dimitris Fitsios et al. « High-gain 1,3 µm GalnNAs semiconductor optical amplifier with enchanced temperature stability for all-optical processing at 10 Gb/s », Applied optics, may 2015 vol. 54, n°1, 1er janvier 2015. Le fait de réaliser l'amplificateur 30 comme décrit dans cet article permet en plus d'obtenir un amplificateur large bande stable en température. Cela améliore le fonctionnement de la source laser et notamment cela permet de maintenir une puissance émise par la source laser presque constante dans toute la gamme de températures de fonctionnement [T_min ; T_max]. Dans ce cas, le guide d'onde 28 et l'amplificateur 30 se présentent sous la forme d'un empilement 34 (Figure 2) de sous-couches en alternance en GalnNAs et en GaNAs interposées entre une sous-couche inférieure 35 (Figure 2) et une sous-couche supérieure 36 (Figure 2) en GaAs dopé P. La sous-couche 35 est une sous-couche en matériau III-V de dopage opposé à la sous couche supérieure 36. Ici, il s'agit d'une sous-couche en GaAs dopé N.

[0039] L'amplificateur 30 comporte, en plus du guide d'onde 28, une prise 37 (Figure 2) directement en contact mécanique et électrique avec la portion de la sous-couche 35. La sous-couche 36 est en contact mécanique et électrique avec une prise 38 (Figure 2) pour raccorder électriquement la partie inférieure de l'amplificateur 30 à un potentiel. Lorsqu'un courant continu, appelé « courant d'injection », supérieur au courant de seuil du laser est appliqué entre les prises 37 et 38, l'amplificateur 30 génère et amplifie le signal optique qui résonne à l'intérieur de la cavité de Fabry-Pérot.

[0040] Dans ce mode de réalisation, le filtre 22 comporte seulement un filtre primaire athermique 40. Le filtre 40 est ici composé d'un interféromètre 42 de Mach-Zehnder.

[0041] L'interféromètre 42 comporte :

• deux bras 44 et 46 aptes chacun à guider le signal optique résonnant, et
• deux embranchements 48 et 50.

[0042] Dans le sens de propagation F (Figure 1) du signal optique qui va du réflecteur 12 vers le réflecteur 14, l'embranchement 48 répartit à parts égales le signal optique réfléchi par le réflecteur 12 dans les bras 44 et 46.

[0043] Sur la figure 1 et les suivantes, la direction verticale est représentée par une direction Z d'un repère orthogonal XYZ, où X et Y sont des directions horizontales. Ici, la direction X est essentiellement parallèle au sens F de propagation du signal optique.

[0044] Dans le sens F, l'embranchement 50 combine les signaux optiques issus des bras 44 et 46 entre eux pour obtenir un signal optique qui se propage dans le guide d'onde 25 vers le réflecteur 14. Dans le sens de propagation opposé au sens F, les rôles des embranchements 48 et 50 sont intervertis. Par exemple, les embranchements 48 et 50 sont des MMI (Multi-Mode Interferometers).

[0045] Le bras 44 est divisé en trois sections S_1,1, S_1,2 et S_1,3 consécutives en allant dans le sens F. Par la suite, on désigne par S_m,n la section n du bras m, où :

• l'indice m est un identifiant du bras de l'interféromètre, et
• l'indice n est un identifiant de la section de ce bras.

[0046] Dans ce texte, lorsque l'indice m est égal à 1, cela désigne le bras inférieur 44. Lorsque l'indice m est égal à 2, cela désigne le bras supérieur 46. L'indice n est le numéro d'ordre de la section en partant de l'embranchement 48 et en allant dans le sens F. Ainsi, un indice n égal à 1 correspond à la première section rencontrée après l'embranchement 48, l'indice n égal à 2 correspond à la deuxième section rencontrée en partant de l'embranchement 48 et ainsi de suite.

[0047] Chaque section S_m,n est un guide d'onde. Chacune de ces sections présente donc un indice effectif Neff_m,n et une longueur L_m,n non nulle. Typiquement, chaque section diffère de la section qui la précède et de la section qui la suit par :

• les dimensions de sa section transversale,
• le ou les matériaux utilisés pour réaliser son cœur, et/ou
• le ou les matériaux utilisés pour réaliser sa gaine.

[0048] L'indice effectif d'un guide d'onde dépend des matériaux utilisés pour former le cœur et la gaine de ce guide d'onde et aussi des dimensions du cœur et notamment de la largeur et de l'épaisseur du cœur. Les indices effectifs de deux sections successives dans le sens F sont donc différents. Ici, l'indice effectif Neff_m,n de chaque section S_m,n est considéré comme constant sur toute sa longueur L_m,n.

[0049] L'indice effectif d'un guide d'onde peut être déterminé, pour une température donnée et pour une longueur d'onde donnée, par simulation numérique ou expérimentalement. Ici, lorsque les indices effectifs de différentes sections sont comparés, il s'agit des indices effectifs déterminés pour la même température et la même longueur d'onde. Typiquement, cette longueur d'onde est égale à λ_Si.

[0050] L'indice effectif d'un guide d'onde varie en fonction de la température de ce guide d'onde. Par la suite, on note dneff_m,n/dT le coefficient qui exprime le taux de variation de l'indice neff_m,n de la section S_m,n en fonction de la température. En première approximation, sur la plage de températures DT, ce coefficient dneff_m,n/dT est considéré comme constant.

[0051] Ici, la section S_1,1 s'étend de l'embranchement 48 jusqu'au coupleur 26. La section S_1,1 est un guide d'onde en silicium.

[0052] La section S_1,2 s'étend du coupleur 26 jusqu'au coupleur 32. La section S_1,2 correspond donc au guide d'onde 28 en matériaux à gain III-V dans lequel est réalisé l'amplificateur 30. La section S_1,2 est appelée ici « section à gain » car elle a la capacité d'amplifier le signal optique.

[0053] La section S_1,3 s'étend du coupleur 32 jusqu'à l'embranchement 50. La section S_1,3 est un guide d'onde en silicium identique au guide d'onde en silicium de la section S_1,1 sauf que la longueur L_1,3 peut être différente de la longueur L_1,1.

[0054] Le bras 46 est divisé en quatre sections consécutives S_2,1, S_2,2, S_2,3 et S_2,4 en allant dans le sens F. Les sections S_2,1 et S_2,2 sont identiques, respectivement, aux sections S_1,1 et S_1,2. Le bras 46 comporte donc, comme le bras 44 :

• un coupleur optique 52 qui raccorde optiquement le guide d'onde 15 à une entrée d'un guide d'onde 54 en matériaux à gain III-V,
• un amplificateur optique 56 réalisé dans le guide d'onde 54, et
• un coupleur optique 58 qui raccorde optiquement une sortie du guide d'onde 54 au guide d'onde 25.

[0055] Les coupleurs 52, 58, le guide d'onde 54 et l'amplificateur 56 sont identiques, respectivement, aux coupleurs 26, 32, au guide d'onde 28 et à l'amplificateur 30. De plus, le courant d'injection qui traverse l'amplificateur 56 présente ici systématiquement la même intensité que le courant d'injection qui traverse au même instant l'amplificateur 30. Par exemple, pour cela, les sous-couches inférieure 35 et supérieure 36 de l'amplificateur 30 et de l'amplificateur 56 sont communes à ces deux amplificateurs ou directement raccordées électriquement l'une à l'autre. Dans ces conditions, les indices neff_1,2 et neff_2,2 sont identiques et les coefficients dneff_1,2/dT et dneff_2,2/dT sont également identiques.

[0056] La section S_2,4 est identique à la section S_1,3 sauf que sa longueur L_2,4 est supérieure à la longueur L_1,3. Sur la figure 1, le fait que la longueur L_2,4 est supérieure à la longueur L_1,3 est représenté schématiquement par un zigzag.

[0057] La section S_2,3 présente un coefficient dneff_2,3/dT inférieur au coefficient dneff_2,1/dT, dneff_2,2/dT et dneff_2,4/dT. Pour cela, selon une première solution, la section S_2,3 est un guide d'onde en silicium dont la largeur du cœur est inférieure à la largeur du cœur des sections S_2,1 et S_2,4. Selon une deuxième solution, la section S_2,3 est un guide d'onde dont le cœur est réalisé dans un matériau différent du silicium comme, par exemple, en nitrure de silicium. Dans ce cas, les dimensions du cœur de la section S_2,3 peuvent être identiques aux dimensions des cœurs en silicium des sections S_2,1 et S_2,4. Une troisième solution consiste à utiliser un autre matériau pour la gaine de la section S_2,3 différent de celui utilisé pour la gaine des sections S_2,1 et S_2,4. De plus, il est possible de combiner ces différentes solutions pour obtenir le coefficient dneff_2,3/dT souhaité.

[0058] Pour que l'interféromètre 42 présente une bande passante qui permette de sélectionner la longueur d'onde λ_Li, les sections S_m,n sont configurée pour vérifier la condition (1) suivante :

où :

• k_f est un nombre entier prédéterminé supérieur ou égal à 1,
• N₁ et N₂ sont les nombres de sections, respectivement, dans les bras 44, 46,
• L_1,n et L_2,n sont les longueurs des n-ièmes sections, respectivement, des bras 44, 46,
• neff_1,n et neff_2,n sont les indices effectifs des n-ièmes sections, respectivement, des bras 44, 46.

[0059] Un grand nombre de longueurs L_m,n et d'indices Neff_m,n permettent de satisfaire la condition (1).

[0060] Ici, le filtre 40 est également conçu pour être athermique. Ainsi son coefficient dλ_CF1/dT est proche de zéro, c'est-à-dire compris compris entre L_min et L_max. Par la suite, on note λ_CF1 une longueur d'onde correspondant à un maximum du spectre de transmission du filtre primaire 40. A cet effet, les sections S_m,n sont configurés pour satisfaire également la condition (2) suivante :

où dneff_1,n/dT et dneff_2,n/dT sont les variations des indices effectifs des n-ièmes sections, respectivement, des bras 44 et 46.

[0061] Par exemple, ici, les longueurs L_m,n et les coefficients dneff_m,n/dT satisfont la condition (2) avec L_min = -7 pm/°C et L_max = +7 pm/°C et, de préférence, avec L_min = -2 pm/°C et L_max = +2 pm/°C.

[0062] Il existe un grand nombre de jeux de valeurs pour les longueurs L_m,n et les indices neff_m,n qui satisfont à la fois les conditions (1) et (2) ci-dessus. Ici, parmi l'ensemble de ces jeux, c'est le jeu de valeurs ou l'un des jeux de valeurs qui permet en plus d'obtenir une largeur Δλ₄₀ pour la bande passante du filtre primaire 40 supérieure à Δλ_R qui est retenu.

[0063] Dans ces conditions, à cause du fait que l'interféromètre 42 satisfait la condition (2), la bande passante du filtre 22 ne se déplace pas ou pratiquement pas en fonction de la température. Par contre, dans ce mode de réalisation, les longueurs d'onde λ_Rj se déplacent en fonction de la température. En particulier, la variation de la température peut être tel qu'une longueur d'onde λ_Rj précédemment située à l'intérieur de la bande passante du filtre 22 se déplace et sort de cette bande passante. Dans ce cas, puisque la largeur Δλ₄₀ est égale ou supérieure à l'intervalle Δλ_R, lorsqu'une longueur d'onde λ_Rj sort de la bande passante du filtre 22, une autre longueur d'onde λ_Rj-1 ou λ_Rj+1 rentre à l'intérieur de cette bande passante. Ainsi, dans ce mode de réalisation, il n'est pas nécessaire de mettre en œuvre un dispositif d'accord qui déplace les longueurs d'onde λ_Rj de manière à ce qu'il existe en permanence une longueur d'onde λ_Rj située au centre de la bande passante du filtre 22.

[0064] Pour configurer les sections S_m,n de manière à ce qu'elles satisfassent les différentes conditions précédentes, une solution consiste, lors d'une première étape, à choisir les dimensions transversales de chaque section et les matériaux utilisés pour le cœur et la gaine de chaque section. Ainsi, les indices effectifs neff_m,n et les coefficients dneff_m,n/dT de chaque section sont déterminés. Ensuite, lors d'une seconde étape, les longueurs L_m,n permettant de satisfaire les différentes conditions précédentes sont recherchées. S'il s'avère impossible de trouver des longueurs satisfaisantes, alors le procédé retourne à la première étape pour modifier les indices effectifs d'une ou plusieurs sections. Le dimensionnement de tels sections est par exemple réalisé en s'inspirant de l'enseignement donné, dans un contexte différent, dans l'article suivant : Biswajeet Guha et Al : « Minimizing temperature sensitivity of silicon Mach-Zehnder interferometers », Optics Express, 15/01/2010, pages 1879-1887.

[0065] La figure 2 représente la source laser 10 selon une coupe verticale passant par le bras 44. Sur cette figure, le trajet suivi par le signal optique entre les réflecteurs 12 et 14 est représenté par une flèche à double sens.

[0066] La source laser 10 comporte un substrat 70 qui s'étend principalement dans un plan horizontal appelé « plan du substrat ». L'épaisseur du substrat 70 est par exemple supérieure à 500 µm.

[0067] Une couche 72 de silicium monocristallin encapsulé dans de l'oxyde de silicium est empilée sur la face supérieure du substrat 70. Les réflecteurs 12 et 14, les guides d'onde 15 et 25 et les sections S_1,1, S_1,3, S_2,1, S_2,3 et S_2,4 ainsi que les parties inférieures des coupleurs 26, 32, 52 et 58 sont réalisés dans le silicium encapsulé de cette couche 72.

[0068] Une fine couche 74, par exemple en oxyde de silicium, est déposée sur la couche 72. Enfin, la source laser 10 comporte une couche 76 en matériau à gain encapsulé dans, par exemple, de l'oxyde de silicium. Les guides d'onde 28 et 54, les amplificateurs 30 et 56 et les parties supérieures des coupleurs 26, 32, 52 et 58 sont réalisés dans cette couche 76.

[0069] La figure 3 représente le spectre 80 de transmission du filtre primaire 40. L'axe des ordonnées représente le taux de transmission du filtre 40 et l'axe des abscisses la longueur d'onde associée à ce taux de transmission. Sur cette figure et les autres figures représentant un spectre de transmission, le taux de transmission du filtre est représenté en échelle logarithmique. Ainsi, un maximum du spectre de transmission correspond à la valeur 0 ou proche de la valeur 0 sur ces graphiques. Dans cet exemple, la largeur Δλ₄₀ d'une bande passante du filtre 40 est par exemple de 5 nm. Puisque cette largeur Δλ₄₀ est supérieure à l'intervalle Δλ_R, la source laser 10 est multimode.

[0070] La figure 4 représente une source laser 100 identique à la source laser 10, sauf que le filtre 22 est remplacé par un filtre 102. Le filtre 102 est identique au filtre 22, sauf que le filtre primaire 40 est remplacé par un filtre primaire 104 qui comporte un interféromètre 106 à la place de l'interféromètre 42. L'interféromètre 106 est identique à l'interféromètre 42 sauf que le bras 46 est remplacé par un bras 108.

[0071] Le bras 108 est identique au bras 46 sauf qu'il comporte seulement trois sections S_2,1, S_2,2 et S_2,3. La section S_2,1 du bras 108 est identique à la section S_1,1 du bras 44. La section S_2,2 est identique à la section S_2,2 de l'interféromètre 42 sauf que l'amplificateur 56 est remplacé par un amplificateur 110 plus court que l'amplificateur 30. Ainsi, la longueur L_2,2 de la section S_2,2 du bras 108 est inférieure à la longueur L_1,2. La section S_2,3 est identique à la section S_1,3 sauf que la longueur L_2,3 est supérieure ou égale à la longueur L_1,3.

[0072] Comme dans le précédent mode de réalisation, les différentes sections S_m,n sont agencées pour que les longueurs L_m,n et les indices neff_m,n, satisfassent à la fois les conditions (1) et (2) précédemment décrites. Cette source laser 100 fonctionne comme la source laser 10 mais sans pour cela qu'il soit nécessaire d'implémenter une section supplémentaire dans l'un des bras dont l'indice effectif est inférieur aux indices neff_2,1 et neff_2,2.

[0073] La figure 5 représente une source laser 130 identique à la source laser 10, sauf que le filtre 22 est remplacé par un filtre 132 qui comporte un filtre primaire 134 à la place du filtre primaire 40. Le filtre 134 comporte un interféromètre 136 de Mach-Zehnder et un filtre secondaire 138.

[0074] Le filtre 138 est un filtre passe-bande comportant typiquement plusieurs bandes passantes. La largeur Δλ₁₃₈ de chacune de ces bandes passantes est inférieure ou égale à l'intervalle Δλ_R. Ici, la largeur Δλ₁₃₈ est égale à Δλ_R. Ce filtre 138 présente un coefficient dneff₁₃₈/dT supérieur à zéro et généralement supérieur à 15 pm/°C ou 50 pm/°C, où neff₁₃₈ est l'indice effictif du guide d'onde dans lequel est réalisé le filtre 138. Ici, le filtre 138 est formé dans un guide d'onde en silicium. Ainsi, son coefficient dneff₁₃₈/dT est supérieur à 50 pm/°C.

[0075] Dans ce mode de réalisation, le filtre 138 comporte un anneau résonnant 140. L'anneau 140 est couplé optiquement à la section S_2,3 du bras 46 par l'intermédiaire d'un couplage optique 142. Ainsi, une partie du signal optique qui traverse le bras 46 traverse également le filtre 138. Le couplage 142 est par exemple un couplage évanescent.

[0076] La figure 6 représente le spectre 150 de transmission du filtre 138. Ce spectre 150 comporte plusieurs bandes passantes régulièrement espacées les unes des autres par la distance d_FSR138. La figure 6 représente également le spectre 152 de transmission de l'interféromètre 136. Le spectre 152 présente plusieurs maximums de transmission régulièrement espacés les uns des autres par la distance d_FSR136.

[0077] Ici, le filtre 138 est agencé de manière à ce que la distance d_FSR138 est telle qu'à un instant donné, à l'intérieur de l'intervalle ΔR, il ne peut exister qu'une seule bande passante du filtre 138 centrée sur un maximum de transmission du spectre 152. Pour cela soit le filtre 138 est configuré pour que la distance d_FSR138 soit supérieure ΔR soit le filtre 138 est configuré pour que la distance d_FSR138 soit un multiple non-entier de la distance d_FSR136 comme représenté sur la figure 6. Sur la figure 6, cette bande du filtre 138 centrée sur un maximum de transmission du spectre 152 est entourée par un rectangle 154. Dans ces conditions, le filtre 132 sélectionne une seule longueur d'onde λ_Li contenue à l'intérieur de la bande passante entourée par le rectangle 154. La source laser 130 est donc une source laser monomode.

[0078] Ici, l'interféromètre 136 est identique à l'interféromètre 42 sauf que les différentes sections S_m,n sont agencées de manière à vérifier la condition (1) et la condition (3) suivante :

[0079] Dans ce mode de réalisation, la condition (2) est remplacée par la condition (3) ci-dessus. Lorsque les conditions (1) et (3) sont satisfaites, l'interféromètre 136 compense une grande partie le déplacement du spectre de transmission du filtre 138 dû aux variations de température. Le filtre 134 qui combine cet interféromètre 136 et le filtre 138 est donc athermique. Le dimensionnement de tels sections est par exemple réalisé en s'inspirant de l'enseignement donné, dans un contexte différent, dans l'article suivant : Biswajeet Guha et Al : « CMOS-compatible athermal silicon microring resonators », Optics Express, 3/02/2010, pages 3487-3493.

[0080] Ici, le filtre 134 comporte aussi un dispositif 144 de réglage de la position des bandes passantes du filtre 138 par rapport au maximum de transmission du spectre 152. Par exemple, le dispositif 144 est une chaufferette apte à chauffer localement l'anneau 140 sans chauffer les bras 44 et 46 de l'interféromètre 136. Comme illustré sur la figure 7, ce dispositif 144 permet de déplacer le spectre 150 par rapport au spectre 152 jusqu'à ce que ce soit une autre bande passante du filtre 138 qui soit centrée sur un maximum de transmission du spectre 152. Cela permet, avec un faible déplacement du spectre 150, de changer de façon importante la valeur de la longueur d'onde λ_Si souhaitée de la source laser 130. Sur l'exemple des figures 6 et 7, un déplacement de moins de 4 nm du spectre 150 permet de faire varier la valeur de la longueur d'onde λ_Si d'environ 10 nm.

[0081] La figure 8 représente une source laser 150 identique à la source laser 10, sauf que le filtre 22 est remplacé par un filtre 152 qui comporte en plus du filtre primaire 40, un filtre tertiaire 154 optiquement raccordé en série avec le filtre 40. Pour simplifier la figure 8, les détails du filtre 40 n'ont pas été représentés à nouveau.

[0082] Le filtre 154 est un filtre athermique dont le spectre 156 (figure 9) de transmission comporte plusieurs bandes passantes régulièrement espacées les unes des autres par une distance d_SFR154. De préférence, le filtre 154 est agencé pour que la distance d_SFR154 soit égale à p.d_SFR40, où p est un nombre entier supérieur ou égal à 2.

[0083] De plus, le filtre 154 est agencé pour qu'au moins un maximum de transmission de son spectre 156 soit confondu avec un maximum de transmission du spectre 80 du filtre 40. Dans ces conditions, la distance entre deux maximums consécutifs du spectre 158 de transmission (figure 9) du filtre 152 est égale à la distance d_SFR154. La largeur Δλ₁₅₂ de la bande passante du filtre 152 reste égale à la largeur Δλ₄₀ d'une bande passante du filtre 40. Ainsi, l'utilisation du filtre 154 permet d'espacer les bandes passantes du filtre 152 sans augmenter la largeur de ces bandes passantes. Cela permet donc de sélectionner un nombre de longueurs d'onde λ_Li inférieur au nombre de longueurs d'onde λ_Li sélectionné par le filtre 22 de la source laser 10. Grâce à cela, la source laser 150 peut être rendue monomode.

[0084] Ici, le filtre 154 est un interféromètre de Mach-Zehnder athermique. Par exemple, le filtre 154 est identique au filtre 40 sauf que :

• il est dépourvu de section à gain comportant un cœur en matériau à gain,
• les différentes sections sont ajustés pour vérifier les conditions (1) et (2) et en plus pour obtenir une distance d_SFR154 égale à p fois la distance d_SFR40.

[0085] Ainsi, le bras 44 du filtre 154 comporte une seule section S_1,1 entre les embranchements 48 et 50. Cette section S_1,1 est un guide d'onde dont le cœur est en silicium. Cette section S_1,1 est identique, par exemple, à la concaténation des sections S_1,1 et S_1,3 du filtre 40. Le bras 46 du filtre 154 comporte trois sections consécutives S_2,1, S_2,2 et S_2,3. Les sections S_2,1, S_2,2 et S_2,3 du filtre 154 sont par exemple identiques, respectivement, aux sections S_2,1, _S2,3 et S_2,4 du filtre 40.

[0086] La figure 10 représente une source laser 170 identique à la source laser 10, sauf que les réflecteurs 12 et 14 sont remplacés, respectivement, par des réflecteurs 172 et 174. Les réflecteurs 172 et 174 sont des réflecteurs dont les bandes réfléchissantes sont étroites et plus étroites que les bandes réfléchissantes des réflecteurs 12 et 14. Ici, la largeur des bandes réfléchissantes des réflecteurs 172 et 174 est comprise entre Δλ_R et d_SFR40. Ainsi, les réflecteurs 172 et 174 autorisent seulement des longueurs d'onde λ_Rj contenues à l'intérieur d'une seule bande passante du filtre 22. Les réflecteurs 172 et 174 sont, par exemple, des réseaux de Bragg. La réalisation de tels réflecteurs à bande réfléchissante étroite est par exemple décrite dans l'article suivant : G. H. Duan et al. : « Hybrid III-V on Silicon Lasers for Photonic Integrated Circuits on Silicon », Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 20, n°4, 07/2014, pages 1-13.

[0087] De préférence, les réflecteurs 172 et 174 sont également peu sensibles aux variations de température. Par exemple, à cet effet, le cœur des réflecteurs 172 et 174 est réalisé dans un matériau à faible coefficient thermo-optique comme du nitrure de silicium.

[0088] La figure 11 représente une source laser 180 identique à la source laser 10, sauf que le filtre 22 est remplacé par un filtre 182 dans laquelle le filtre primaire 40 est remplacé par un filtre primaire 184. Le filtre 184 est identique au filtre 40 sauf que l'interféromètre 42 est remplacé par un interféromètre 186. L'interféromètre 186 est identique à l'interféromètre 42 sauf que le bras 46 est structurellement identique au bras 44. Ainsi, le bras 46 comporte seulement trois sections consécutives S_2,1, S_2,2 et S_2,3. Ces sections S_2,1, S_2,2 et S_2,3 de l'interféromètre 186 sont identiques, respectivement, aux sections S_1,1, S_1,2 et S_1,3 du bras 44 de ce même interféromètre. Dans ces conditions, les longueurs totales des bras 44 et 46 sont égales. De plus, les dimensions transversales des cœurs des sections S_1,2 et S_2,2 sont identiques. Ici, par « dimensions transversales », on désigne les dimensions dans un plan orthogonal à la direction de propagation du signal optique. Il s'agit donc en particulier de la largeur et de la hauteur du cœur.

[0089] Par contre, dans ce mode de réalisation, les courants d'injection I₁ et I₂ qui traversent, respectivement, les amplificateurs 30 et 56 ne sont pas identiques. A cet effet, ici, les prises 37 des amplificateurs 30 et 56 sont électriquement raccordées à des sources d'alimentation respectives 190 et 192. Dans ces conditions, même si structurellement les sections S_1,2 et S_2,2 sont identiques, leurs indices effectifs neff_1,2 et neff_2,2 sont différents. En effet, puisque les intensités des courants I₁ et I₂ sont différentes, les températures des amplificateurs 30, 56 sont différentes et donc leurs indices effectifs sont différentes. Ici, les sources 190 et 192 sont réglées pour que la condition (1) soit satisfaite. Dans le cas particulier de la source laser 180, la condition (1) s'écrit alors sous la forme suivante :

où les longueurs L_2,2 et L_1,2 sont égales.

[0090] Puisque les sections S_1,2 et S_2,2 sont structurellement identiques, les coefficients dneff_1,2/dT et dneff_2,2/dT sont égaux. Ainsi, la condition (2) précédemment décrite est aussi satisfaite dès que les longueurs L_2,2 et L_1,2 sont égales. Par conséquent, le filtre primaire 184 est également athermique. Le fonctionnement de la source laser 180 se déduit des explications données pour la source laser 10.

[0091] Plus précisément, comme représenté sur la figure 12, lors d'une étape 200 d'émission d'un signal optique à la longueur d'onde λ_Li proche de la longueur d'onde λ_Si souhaitée, les sources 190 et 192 injectent les courants I₁ et I₂ d'intensités différentes à travers, respectivement, les amplificateurs 30 et 56.

[0092] La figure 13 représente une source laser 220 identique à la source laser 130 sauf que le filtre passe-bande 132 est remplacé par un filtre passe-bande 222. Le filtre 222 est identique au filtre 132 sauf que le filtre primaire 134 est remplacé par un filtre primaire 224. Le filtre primaire 224 est identique au filtre primaire 134 sauf que le filtre secondaire 138 est remplacé par un filtre secondaire 228. Le filtre 228 est identique au filtre 138 sauf que l'anneau 140 est remplacé par un anneau 230. L'anneau 230 est configuré pour que:

• la largeur Δλ₂₂₈ de chaque bande passante du filtre 228 soit égale à Δλ_R,
• un maximum du spectre 234 (Figure 14) de transmission du filtre 228 coïncide avec un maximum du spectre 152 de transmission de l'interféromètre 136, et
• la distance d_FSR228 entre deux maximums consécutifs du spectre 234 (Figure 14) soit égale à p.d_SFR136, où p est un nombre entier.

[0093] La figure 14 représente les spectres 152 et 234 de transmission dans le cas particulier où p est égal à 1. Comme illustré sur cette figure 14, le filtre 222 sélectionne simultanément plusieurs longueurs d'ondes λ_Li séparées les unes des autres par la distance d_FSR228. La source laser 220 est donc multimode.

[0094] La figure 15 représente une source laser 240 qui est une combinaison des modes de réalisation des figures 5 et 11. La source laser 240 est identique à la source laser 130 sauf que le filtre passe-bande 132 est remplacé par un filtre passe-bande 242. Le filtre 242 est identique au filtre 132 sauf que le filtre primaire 134 est remplacé par un filtre primaire 244. Le filtre primaire 244 est identique au filtre primaire 134 sauf que l'interféromètre 136 est remplacé par un interféromètre 246.

[0095] L'interféromètre 246 est identique à l'interféromètre 186 sauf que les longueurs L_1,2 et L_2,2 sont différentes. Comme précédemment décrit en référence à la figure 11, les intensités des courants continus I₁ et I₂ sont différentes. Ainsi, les indices effectifs neff_1,2 et neff_2,2 sont différents. Par contre les coefficients dneff_1,2/dT et dneff_2,2/dT sont égaux puisque les matériaux et la section transversale des cœurs des sections S_1,2 et S_2,2 sont identiques. Dans ce cas particulier, la condition (1) s'écrit alors sous la forme suivante :

[0096] La condition (3) pour que le filtre primaire 244 soit athermique s'écrit sous la forme simplifiée suivante :

où les coefficient dneff_1,2/dT et dneff_2,2/dT sont égaux.

[0097] Pour trouver les intensités des courants I₁ et I₂ et les longueurs L_1,2 et L_2,2 qui satisfont les conditions (1) et (3) précédentes, il est possible, par exemple, de fixer d'abord les intensités des courants I₁ et I₂ puis de rechercher les longueurs L_1,2 et L_2,2 qui satisfont les conditions précédentes. Il est aussi possible de procéder en sens inverse, c'est-à-dire que des longueurs L_1,2 et L_2,2 sont d'abord fixées puis les intensités des courants I₁ et I₂ sont recherchées.

[0098] Dans le mode de réalisation de la figure 15, le dispositif 144 d'accord est omis.

Chapitre III : variantes :

Variantes du filtre passe-bande :

[0099] En variante, la source laser comporte plusieurs filtres primaires raccordés en série les uns derrière les autres.

[0100] Dans un autre mode de réalisation, le filtre primaire n'est pas athermique. Dans ce cas, les différentes sections S_m,n n'ont pas besoin d'être agencées pour vérifier la condition (2) ou (3). Si le filtre primaire n'est pas athermique et que ce filtre primaire est raccordé en série avec un filtre tertiaire, ce filtre tertiaire n'est pas lui non plus athermique. Plus précisément, dans ce cas, le filtre tertiaire est agencé pour que son coefficient dλ_CF3/dT soit égal ou pratiquement égal au coefficient dλ_CF1/dT du filtre primaire.

[0101] Le couplage optique 142 entre l'anneau 140 et le bras 46 peut être réalisé ailleurs. Par exemple, en variante, ce couplage optique est réalisé entre la section S_2,1 ou S_2,4 et l'anneau 140, voire même entre la section S_2,2 et l'anneau 140.

[0102] Un filtre tertiaire tel que le filtre 154 peut être implémenté dans les autres modes de réalisation décrits ici et, en particulier, dans les modes de réalisation des figures 1, 4, 5, 10, 11 et 13.

[0103] D'autres modes de réalisation du filtre tertiaire sont possibles. Par exemple, en variante, le filtre tertiaire est identique au filtre primaire 134 mais les sections S_1,2 et S_2,2 comportant des matériaux à gain sont omises. Dans un autre exemple de réalisation, le filtre tertiaire est rendu athermique non pas à l'aide d'un interféromètre de Mach-Zehnder mais par d'autres moyens. Par exemple, le cœur du filtre tertiaire est réalisé dans un matériau dont le coefficient thermo-optique est faible, c'est-à-dire au moins deux fois plus faible que le coefficient thermo-optique du silicium. Ainsi, dans un autre exemple, le filtre tertiaire est un anneau résonnant formé dans un guide d'onde en nitrure de silicium et couplé au guide d'onde 15 ou 25.

[0104] D'autres modes de réalisation du filtre secondaire 138 sont possibles. Plus précisément, tout autre filtre présentant un spectre de transmission similaire au spectre 150 et susceptible d'être couplé optiquement à l'une des sections du bras 46 peut être employé.

[0105] Le filtre secondaire peut aussi être réalisé dans des guides d'onde dont le cœur est réalisé dans un matériau dont le coefficient thermo-optique est faible. Par exemple, en variante, le filtre 138 est réalisé dans un guide d'onde dont le cœur est réalisé en nitrure de silicium et la gaine en oxyde de silicium.

Autres variantes :

[0106] Le fait d'injecter des courants I₁ et I₂ d'intensités différentes dans les amplificateurs 30 et 56 peut être mis en œuvre dans tous les modes de réalisation décrits ici. En particulier, des courants I₁ et I₂ d'intensités différentes peuvent être injectés à travers les amplificateurs 30 et 56 des modes de réalisation des figures 1, 4, 5, 8, 10 et 13. Dans ce cas, les autres sections des bras 44 et 46 sont agencées pour que les conditions (1) et (2) ou les conditions (1) et (3) soient vérifiées. Le fonctionnement de ces variantes est alors le même que celui de la source laser 180.

[0107] Dans la source laser 180, il n'est pas nécessaire que les sections S_1,1 et S_1,3 soient identiques, respectivement, aux sections S_2,1 et S_2,3. Par exemple, en variante la section S_1,1 est plus longue que la section S_2,1 et, en contre partie, la section S_1,3 est plus courte que la section S_2,3. En fait, il suffit que la condition (4) suivante soit vérifiée pour que la source laser 180 fonctionne correctement : L_1,1neff_1,1 + L_1,3neff_1,3 = L_2,1neff_2,1 + L_2,3neff_2,3. Cette condition (4) se généralise sans difficulté au cas où chaque bras comporte plus de trois sections S_m,n.

[0108] Dans la source laser 180, s'il n'est pas nécessaire que le filtre passe-bande soit athermique, alors il n'est pas non plus nécessaire que les longueur L_1,2 et L_2,2 soient égales. Dans ce cas, la source laser 180 fonctionne correctement à partir du moment où les sections S_1,2 et S_2,2 sont configurées pour que la condition suivante soit vérifiée :

La condition ci-dessus peut être satisfaite même avec des longueurs L_1,2 et L_2,2 différentes.

[0109] Le cœur des sections à gain telles que les sections S_1,2 et S_2,2 peut être réalisé en utilisant d'autres matériaux. Par exemple, l'empilement 34 peut aussi être un empilement de sous-couches en alternance en InP et InGaAsP. En variante, le matériau à gain est directement déposé sur un prolongement en silicium du guide d'onde 15 ou 25. Cette superposition du matériau à gain sur le prolongement en silicium forme alors le cœur d'un guide d'onde à gain optique. Dans ce cas, le guide d'onde à gain optique comporte du matériau III-V mais aussi du silicium.

[0110] Il existe aussi d'autres modes de réalisation de la cavité résonnante et, en particulier, des modes de réalisation dépourvus de réflecteur. Par exemple, la cavité peut prendre la forme d'un anneau dans lequel le signal optique tourne en traversant à chaque tour le matériau à gain de l'interféromètre. Par exemple, cela revient à remplacer les réflecteurs 12 et 14 par un guide d'onde supplémentaire qui raccorde l'extrémité gauche à l'extrémité droite de la cavité résonnante sans passer par l'intermédiaire des matériaux à gain. Dans ce cas, le guide d'onde supplémentaire est, par exemple, réalisé dans la couche 72.

[0111] Quel que soit le mode de réalisation décrit ici, pour limiter les conséquences du décalage de la bande réfléchissante des réflecteurs en fonction de la température, ces réflecteurs peuvent être réalisés dans un matériau à faible coefficient thermo-optique comme en nitrure de silicium.

[0112] Les réflecteurs ne sont pas nécessairement des réseaux de Bragg. Par exemple, un réflecteur peut également être réalisé à l'aide d'une boucle de Sagnac.

[0113] Enfin, le système permettant de limiter les variations de la longueur d'onde λ_Li en fonction de la température n'est pas nécessairement un système passif comme décrit dans les précédents modes de réalisation. Ainsi, en variante, la source laser peut comporter :

• un dispositif d'accord apte à déplacer les longueurs d'onde λ_Rj en fonction d'un signal électrique de commande,
• un capteur apte à mesurer une grandeur physique représentative de l'écart entre la longueur d'onde λ_Cf du filtre passe-bande et la plus proche des longueurs d'onde λ_Rj, et
• un circuit électronique apte à générer le signal électrique de commande de manière à maintenir en permanence une des longueurs d'onde λ_Rj au centre de la bande passante du filtre passe-bande.

La longueur d'onde λ_Cf du filtre passe-bande correspond à un maximum du spectre de transmission de ce filtre. Des modes de réalisation et d'implémentation de ces différents composants dans une source laser sont, par exemple, identiques à ceux décrits dans la demande US20180261976A.

Chapitre IV : Avantages des modes de réalisation :

[0114] Le fait de réaliser le guide d'onde à gain dans chacun des bras d'un l'interféromètre permet de diminuer de façon substantielle la longueur de la cavité résonnante par rapport au cas d'une cavité résonnante permettant de générer un signal optique identique et de même puissance, mais dans laquelle le guide d'onde à gain est situé en dehors du filtre passe-bande. En effet, ici, les fonctions de filtrage et d'amplification du signal optique sont imbriquées et réalisées par un même composant à savoir un interféromètre de Mach-Zehnder. Ainsi, à caractéristique égale et, en particulier à puissance égale, la cavité résonnante des sources lasers décrites ici est beaucoup plus courte. Cela permet donc, à caractéristique égale, de réduire l'encombrement de la source laser.

[0115] Le fait d'utiliser un interféromètre de Mach-Zehnder agencé de manière à satisfaire la condition (2) ou (3) permet de limiter le déplacement de la bande passante de ce filtre en fonction de la température. Ceci limite les variations de la longueur d'onde λ_Li en fonction de la température. En particulier, cette limitation est obtenue sans qu'il soit nécessaire pour cela de réaliser une partie de ce filtre passe-bande dans des matériaux à faible coefficient thermo-optique comme le nitrure de silicium. La réalisation de ce filtre passe-bande est donc plus simple. De plus, la limitation du déplacement de la bande passante du filtre en fonction de la température qui peut être obtenue est meilleure que celle qu'il est possible d'obtenir en réalisant, au moins en partie, le filtre passe-bande dans des matériaux à faible coefficient thermo-optique.

[0116] Lorsque les bras de l'interféromètre ne comportent aucun couplage optique avec un filtre secondaire tel que le filtre 138 et que cet interféromètre est agencé pour vérifier la condition (2), son spectre de transmission varie très peu en fonction de la température. Par conséquent, la position de la bande passante de son spectre de transmission est pratiquement constante. Grâce à cela, il est possible de limiter les variations de la longueur d'onde λ_Li de la source laser en fonction de la température.

[0117] Lorsque le bras de l'interféromètre comporte un couplage optique avec un filtre secondaire tel que le filtre 138 et que cet interféromètre est agencé pour satisfaire la condition (3), le filtre primaire obtenu est aussi athermique. Ainsi, ce mode de réalisation du filtre passe-bande permet lui aussi de limiter les variations de la longueur d'onde λ_Li en fonction de la température. De plus, le filtre secondaire permet de réduire la largeur de la ou des bandes passantes du filtre passe-bande ou de limiter certaines bandes passantes par rapport au cas où ce filtre passe-bande serait dépourvu d'un tel filtre secondaire. Cela permet donc d'obtenir une source laser monomode.

[0118] Le fait que le filtre secondaire soit un anneau résonnant permet de diminuer l'encombrement de la source laser.

[0119] L'utilisation d'un filtre tertiaire athermique raccordé en série avec le filtre primaire permet d'espacer les bandes passantes du filtre passe-bande tout en conservant de faibles variations de la longueur d'onde λ_Li en fonction de la température.

[0120] L'utilisation d'un interféromètre de Mach-Zehnder athermique pour réaliser le filtre tertiaire permet d'obtenir un filtre tertiaire dont le spectre varie très peu en fonction de la température et donc de limiter de façon très efficace les variations de la longueur d'onde λ_Li en fonction de la température.

[0121] Le fait que la largeur de la bande passante du filtre passe-bande soit inférieure ou égale à l'intervalle Δλ_R permet d'obtenir une source laser monomode. A l'inverse, le fait que la largeur de la bande passante du filtre passe-bande soit supérieure à l'intervalle Δλ_R permet d'obtenir une source laser multimode.

[0122] L'utilisation de réflecteurs dont la bande réfléchissante est étroite permet d'obtenir une source laser monomode.

[0123] La présence dans le spectre de transmission du filtre passe-bande de plusieurs bandes passantes espacées les unes des autres par un intervalle égal à un multiple entier de l'intervalle Δλ_R permet d'obtenir une source laser multimode.

[0124] Le fait que la bande passante du filtre passe-bande ait une largeur sensiblement identique à l'intervalle Δλ_R permet d'obtenir une stabilisation thermique passive de la longueur d'onde λ_Li. En effet, si suite à un échauffement de la cavité résonnante, la longueur d'onde λ_Rj sélectionnée par le filtre passe-bande se déplace et sort de cette bande passante, dans le même temps, la longueur d'onde précédente λ_Rj-1 ou la longueur d'onde suivante λ_Rj+1 rentre à l'intérieur de cette bande passante. Ainsi, même en l'absence de composant actif pour maintenir l'une des longueurs d'onde λ_Rj au centre de la bande passante du filtre passe-bande, les variations de la longueur d'onde λ_Li en fonction de la température sont limitées.

Avantages des courants I₁ et I₂ d'intensités différentes :

[0125] Le fait d'injecter des courants I₁ et I₂ d'intensités différentes dans les amplificateurs 30 et 56 permet d'obtenir des sections S_1,2 et S_2,2 dont les indices effectifs sont différents sans pour cela avoir à jouer sur les dimensions transversales de ces sections ou sur les matériaux qui les composent. Cela simplifie donc la réalisation du filtre passe-bande.

[0126] Si, en plus, les bras 44 et 46 sont structurellement identiques et que ces bras ne sont pas couplés à un filtre secondaire, alors le simple fait de vérifier la condition (1) entraîne nécessairement le fait que la condition (2) est vérifiée. Cela facilite donc la réalisation d'un filtre primaire qui est en plus athermique.

Revendications

1. Source laser à semi-conducteur configurée pour émettre à une longueur d'onde λ_Li proche d'une longueur d'onde λ_Si souhaitée, cette source laser comportant :

- un ensemble de guides d'onde (15, 25, 28, 54) optiquement couplés les uns aux autres et formant une cavité optique apte à faire résonner un signal optique à plusieurs fréquences de résonance possibles, les longueurs d'onde possibles λ_Rj de ces fréquences de résonance possibles étant régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλ_R, cet ensemble comportant :

• au moins un guide d'onde dans lequel est réalisé un filtre passe-bande (22 ; 102 ; 132 ; 152 ; 182 ; 222), le spectre de transmission de ce filtre passe-bande comportant une bande passante apte à sélectionner, parmi les différentes longueurs d'onde λ_Rj possibles, la longueur d'onde X_Li la plus proche de la longueur d'onde λ_Si, et

• au moins un guide d'onde (28, 54) à gain apte à générer du gain optique à chaque longueur d'onde λ_Li sélectionnée par le filtre passe-bande, ce guide d'onde à gain comportant un matériau à gain III-V,

dans lequel :

- le filtre passe-bande (22 ; 102 ; 132 ; 152 ; 182 ; 222) comporte un filtre primaire (40 ; 104 ; 134 ; 184 ; 224) contenant un interféromètre de Mach-Zehnder (42 ; 106 ; 136 ; 186), cet interféromètre comportant :

• un premier et un second bras (44, 46),

• un premier embranchement (48) au niveau duquel le signal optique est réparti entre le premier et le second bras, et

• un second embranchement (50) au niveau duquel les signaux optiques du premier et du second bras sont combinés ensemble,

- chacun du premier et second bras étant divisés en plusieurs sections consécutives (S_m,n) immédiatement contiguës les unes aux autres, chaque section comportant un cœur apte à guider le signal optique et chaque section présentant un indice effectif à la longueur d'onde λ_Si, l'indice effectif de chaque section située immédiatement après une section précédente étant différent de l'indice effectif de cette section précédente,

- les longueurs des différentes sections des premier et second bras vérifient la condition suivante :

où :

- k_f est un nombre entier prédéterminé supérieur ou égal à 1,

- N₁ et N₂ sont les nombres de sections, respectivement, dans les premier et second bras,

- L_1,n et L_2,n sont les longueurs des n-ièmes sections, respectivement, des premier et second bras,

- neff_1,n et neff_2,n sont les indices effectifs des n-ièmes sections, respectivement, des premier et second bras,

caractérisé en ce que les premier et second bras comportent chacun une section à gain (S_1,2, S_2,2), les cœurs de chacune de ces sections à gain étant réalisés à partir du même matériau à gain III-V, ces sections à gain formant ainsi, respectivement, un premier et un second guides d'onde à gain.

2. Source selon la revendication 1, dans laquelle :

- le filtre primaire (132 ; 224) comporte un filtre secondaire (138 ; 228) dont le spectre de transmission comporte une bande passante étroite située à l'intérieur d'une bande passante plus large de l'interféromètre, ce filtre secondaire présentant un coefficient dλ_CF2/dT supérieur à L_max, où :

• λ_CF2 est la longueur d'onde correspondant à un maximum du spectre de transmission du filtre secondaire,

• le coefficient dλ_CF2/dT est la variation de la longueur d'onde λ_CF2 en fonction de la température, et

• L_max est égal à 50 pm/°C ou 15 pm/°C,

- l'un des premier et second bras de l'interféromètre comporte un couplage optique (142) avec le filtre secondaire, et

- les longueurs des différentes sections des premier et second bras sont telles qu'un coefficient dλ_CMZI/dT est compris entre -dλ_CF2/dT + L_min et -dλ_CF2/dT + L_max, où :

• λ_CMZI est une longueur d'onde correspondant à un maximum du spectre de transmission de l'interféromètre (136),

• le coefficient dλ_CMZI/dT est la variation de la longueur d'onde λ_CMZI en fonction de la température,

• L_min est égale à -50 pm/°C ou -15 pm/°C, et

• L_max est égale à +50 pm/°C ou +15 pm/°C.

3. Source selon la revendication 2, dans laquelle le filtre secondaire comporte un anneau résonnant (140 ; 230) optiquement couplé à l'un des premier et second bras de l'interféromètre (136), la bande passante étroite du spectre de transmission de cet anneau résonnant étant centrée sur la longueur d'onde λ_CMZI et ayant une largeur Δλ_F2 inférieure ou égale à l'intervalle Δλ_R.

4. Source selon la revendication 3, dans laquelle la source laser comporte aussi un dispositif (144) d'accord configuré pour décaler la bande passante étroite du filtre secondaire (138) par rapport à la bande passante de l'interféromètre (136) en réponse à un signal électrique de commande.

5. Source selon la revendication 1, dans laquelle :

- aucun des bras de l'interféromètre ne comporte un couplage optique avec un filtre secondaire,

- les longueurs des différentes sections des premier et second bras sont telles qu'un coefficient dλ_CMZI/dT est compris entre L_min et L_max sur une plage de températures allant de 20° à 100°, où :

• λ_CMZI est une longueur d'onde correspondant à un maximum du spectre de transmission de l'interféromètre,

• le coefficient dλ_CMZI/dT est la variation de la longueur d'onde λ_CMZI en fonction de la température,

• L_min est égale à -50 pm/°C ou -15 pm/°C, et

• L_max est égale à +50 pm/°C ou +15 pm/°C.

6. Source selon la revendication 5, dans laquelle les longueurs des sections des premier et second bras vérifient la condition d'athermicité suivante pour la longueur d'onde λ_Si et sur une plage de températures allant de 20° à 100°C :

où dneff_1,n/dT et dneff_2,n/dT sont les variations des indices effectifs des n-ièmes sections, respectivement, des premier et second bras.

7. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :

- le filtre passe-bande (152) comporte un filtre tertiaire (154) optiquement raccordé en série avec le filtre primaire (40), le spectre de transmission de ce filtre tertiaire comportant plusieurs bandes passantes espacées les unes des autres par une distance d_SFR154 au moins deux fois plus grande qu'une distance d_SFR40, où la distance d_SFR40 est la distance qui sépare les unes des autres les bandes passantes du spectre de transmission de l'interféromètre (42) du filtre primaire (40),

- ce filtre tertiaire (154) présente un coefficient dλ_CF3/dT compris entre L_min et L_max, où :

• λ_CF3 est une longueur d'onde correspondant à un maximum du spectre de transmission du filtre tertiaire,

• le coefficient dλ_CF3/dT est la variation de la longueur d'onde λ_CF3 en fonction de la température,

• L_min est égale à -50 pm/°C ou -15 pm/°C, et

• L_max est égale à +50 pm/°C ou +15 pm/°C.

8. Source selon la revendication 7, dans laquelle le filtre tertiaire comporte un ou plusieurs interféromètres supplémentaires de Mach-Zehnder optiquement couplés entre eux en série les uns derrière les autres.

9. Source selon la revendication 2 ou 7, dans laquelle :

- les bandes passantes du filtre secondaire (138) ou tertiaire (154) sont séparées les unes des autres par une distance telle qu'il n'existe, à l'intérieur d'un intervalle ΔR, qu'une seule bande passante du filtre secondaire ou tertiaire centrée sur un maximum de transmission du spectre de transmission de l'interféromètre du filtre primaire, où l'intervalle ΔR est la plus petite plage de longueurs d'onde contenant toutes les longueurs d'onde λ_Rj possibles autorisées par la cavité résonnante, et

- la largeur de la bande passante du filtre secondaire ou tertiaire centrée sur le maximum de transmission du spectre de transmission de l'interféromètre du filtre primaire est inférieure ou égale à l'intervalle Δλ_R.

10. Source selon la revendication 2 ou 7, dans laquelle :

- les bandes passantes du filtre secondaire (228) ou tertiaire (154) sont séparées les unes des autres par une distance égale à un multiple entier de l'intervalle Δλ_R et inférieur à un intervalle ΔR, où l'intervalle ΔR est la plus petite plage de longueurs d'onde contenant toutes les longueurs d'onde λ_Rj possibles autorisées par la cavité résonnante, et

- une bande passante du filtre secondaire ou tertiaire est centrée sur un maximum de transmission du spectre de transmission de l'interféromètre du filtre primaire.

11. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :

- la source laser comporte un réflecteur avant (172) et un réflecteur arrière (174) formant des extrémités de la cavité optique résonnante, de sorte que la cavité optique est une cavité de Fabry-Perot,

- ces réflecteurs (172, 174) présentant chacun :

• une bande réfléchissante dont la largeur est inférieure ou égale à 10 nm ou 4 nm,

• un coefficient dλ_CR/dT compris entre L_min et L_max, où :

- λ_CR est une longueur d'onde correspondant à un maximum du spectre de réflexion du réflecteur,

- le coefficient dλ_CR/dT est la variation de la longueur d'onde λ_CR en fonction de la température,

- L_min est égale à -50 pm/°C ou -15 pm/°C, et

- L_max est égale à +50 pm/°C ou +15 pm/°C.

12. Source selon la revendication 11, dans laquelle chaque réflecteur comporte un cœur encapsulé à l'intérieur d'une gaine, ce cœur étant configuré pour réfléchir le signal optique et le cœur des réflecteurs avant et arrière est réalisé en nitrure de silicium.

13. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :

- le premier bras (44) est plus court que le second bras,

- le premier bras comporte seulement une première, une deuxième et une troisième sections (S_1,1, S_1,2, S_1,3),

- le deuxième bras (46) comporte seulement une première, une deuxième, une troisième et une quatrième sections (S_2,1, S_2,2, S_2,3, S_2,4),

- les premières sections (S_1,1, S_2,1) des premier et deuxième bras ont le même coefficient dneff_2,1/dT,

- les deuxièmes sections (S_1,2, S_2,2) des premier et second bras ont des longueurs identiques et sont réalisées à partir du même matériau à gain III-V, l'indice effectif et le coefficient dneff_2,2/dT de ces deuxièmes sections étant identiques,

- la troisième section (S_2,3) du second bras présente un coefficient dneff_2,3/dT plus petit que les coefficients dneff_2,1/dT et dneff_2,2/dT, respectivement, des premières et deuxièmes sections,

- la troisième section (S_1,3) du premier bras et la quatrième section (S_2,4) du second bras ont des longueurs différentes et présentent le même indice effectif et le même coefficient dneff_2,4/dT,

où :

- le coefficient dneff_2,n/dT est la variation de l'indice effectif de la n-ième section du second bras, et

- n est un numéro d'ordre de la section du bras.

14. Source selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle :

- le premier bras (44) est plus court que le second bras (46),

- le premier bras comporte seulement une première, une deuxième et une troisième sections (S_1,1, S_1,2, S_1,3),

- le deuxième bras comporte seulement une première, une deuxième et une troisième sections (S_2,1, S_2,2, S_2,3),

- les premières sections (S_1,1, S_2,1) des premier et second bras présentent le même indice effectif et le même coefficient dneff_2,1/dT,

- les deuxièmes sections (S_1,2, S_2,2) des premier et second bras sont réalisées dans le même matériau à gain III-V, l'indice effectif et le coefficient dneff_2,2/dT de ces deuxièmes sections sont identiques et la longueur de la deuxième section du second bras est supérieure à la longueur de la deuxième section du premier bras,

- les troisièmes sections (S_1,3, S_2,3) des premier et second bras ont des longueurs différentes et présentent le même indice effectif et le même coefficient dneff_2,3/dT,
où :

- le coefficient dneff_2,n/dT est la variation de l'indice effectif de la n-ième section du second bras, et

- n est un numéro d'ordre de la section du bras.

Dessins